几种氧化物体系稀土掺杂的材料制备与发光特性研究

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本文采用高温固相法合成了Ba4(Si3O8)2∶Eu2+,R13+(R13+=Ho3+、Dy3+、Nd3+)、Ba2ZnSi2O7∶ Eu2+, R23+(R23+=Ho3+、Pr3+、Dy3+)、Ba2ZnSi2O7∶ Ce3+,Tb3+和CaMgP2O7∶Ce3+,Tb3+多种体系发光材料。通过XRD衍射分析确认了合成样品的物相结构,采用漫反射光谱、激发与发射光谱、荧光寿命分析以及余辉衰减等手段表征材料的发光特性,采用热释光谱分析来研究材料内部载流子陷阱的特点。具体工作如下:  (1)实验研究了三价稀土离子RE3+(RE=Ho、Dy、Nd、Pr、Gd)共掺杂的Ba4(Si3O8)2∶Eu2+体系,不同角度表明这些三价稀土离子的共掺杂没有引入新的发光中心,仍然以Eu2+为发光中心。Gd3+或Pr3+的共掺杂对体系的荧光和余辉属性没有明显的影响;Dy3+共掺的样品余辉与Eu2+单掺杂体系相比明显增强,肉眼可见的发光时间可以延续至半小时左右;Nd3+共掺杂可以同时增强样品的荧光和余辉发射,肉眼可见的发光时间可以延长至一小时左右;而Ho3+共掺的样品的余辉又明显强于Dy3+、Nd3+共掺的样品的余辉,时间长达10小时以上。余辉测量结果显示,共掺杂Ho3+的样品初始余辉强度达到3cd/m2。对不同样品进行了热释光测量和实验分析,发现Ba4(Si3O8)2∶Eu2+,Dy3+体系具有较深的载流子陷阱,对载流子有较强的束缚,在等待时间为10小时的情况下,还有一半的载流子被束缚在深陷阱之中,因而对余辉是不利的,但是却有可能作为一种储能材料被开发利用。发现Ba4(Si3O8)2∶Eu2+,Nd3+体系陷阱释放载流子的过程为二阶动力学过程,载流子的二次捕获对延长余辉时间起到了重要作用。发现Ba4(Si3O8)2∶Eu2+,Ho3+体系中存在多种相近能级叠加而成的能带,具有对余辉有利的陷阱深度,同时具有较高的载流子浓度,因而表现出优异的余辉特性。  (2)采用高温固相法合成了长余辉发光材料Ba2ZnSi2O7∶Eu2+和Ba2ZnSi2O7∶Eu2+,RE3+(RE∶ Ho,Pr,Dy),所有样品均呈现Eu2+的宽带发射,峰位在505nm,Ho3+、Pr3+、Dy3+的共掺对Eu2+的发射强度有明显的抑制作用。单掺杂的Ba2ZnSi2O7∶Eu2+具有余辉现象,余辉持续时间为15分钟左右,共掺Ho3+可以大幅增长余辉时间至1小时,而共掺Dy3+则明显缩短余辉时间,共掺Pr3+对余辉属性没有明显改变。热释光分析表明,样品BZED内部的陷阱深度为1.252eV,对捕获载流子束缚过强,不利于载流子的释放发光,而样品BZEH即具有合适的陷阱深度(0.854eV),又具有较高的陷阱浓度,这些条件均对余辉属性有利,因而表现出较强的余辉和较长的余辉时间。  (3)采用高温固相法制备了Ce3+、Tb3+稀土离子单掺杂和共掺杂的Ba2ZnSi2O7荧光粉体系,深入研究了该体系的荧光属性和能量传递特点。在紫外激发条件下(352nm),Ba1.98-xZnSi2O7∶0.02Ce3+,xTb3+的发射既包含Ce3+的蓝光发射(428nm),也包含Tb3+离子的黄绿光发射(542nm)。通过调节Tb3+离子的掺杂浓度,体系发光的颜色可以在蓝光到绿光区域大幅变化。分析结果表明Ce3+、Tb3+之间存在高效的非辐射能量传递,这种能量传递的机制以电偶极-偶极相互作用为主。Ce3+、Tb3+共掺杂的Ba2ZnSi2O7可用于近紫外LED绿光荧光粉,具有较大的研究价值和应用价值。
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